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1、北京科技大学自动化生产线实训实验报告班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 崔家瑞 日 期： 2014 年 5 月 9 日目 录目 录i1系统概述11.1实验对象11.2上位机软件21.2.1控制器为AS3720的配电31.2.2控制器为S7-200的配电31.3下位机41.3.1涡轮流量计41.3.2微型潜水泵和调速模块51.3.3带PWM功率驱动的接口板61.4实验任务与目的61.5分组情况72单容水箱建模82.1建模方法概述82.1.1 机理建模82.1.2 实验方法建模92.1.3 对象模型的影响因素分析102.2阶跃响应法建模102.2.1 理论基础102.2.2 实验步骤112.
2、2.3模型建立122.2.4 结果分析163 Matlab仿真实验183.1利用MATLAB建立系统数学模型183.1.1实验内容183.1.2实验步骤183.2利用MATLAB对控制器参数进行整定243.2.1实验内容243.2.2 PID调节过程243.2.3结果分析294单容水箱PID控制304.1液位控制304.1.1实验原理304.1.2实验步骤324.1.3结果分析335实训总结425.1 目标，过程，结果等分析425.2对实训的收获，要求和建议421系统概述1.1实验对象本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长80mm）图1.1 A1000小型多参数过程控制系统流
3、程图该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液位实验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。JV13和JV23提供泄漏干扰。A1000小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成：1）储水箱主体，提供了整个系统的支撑。2）三容水箱左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用于和中水箱形成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个水路的入水。左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢
4、流。左边中出水用于和左边水箱形成垂直多容系统。左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水过多则从此管道溢流。右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。3）测控点压力测点2个，用于测量泵出口的压力（0100Kpa；420mA）。流量测点2个，用于测量注水流量（00.6m3/h）。液位测点3个，用于测量各实
5、验水柱的水位（05 Kpa；420mA）。4）循环泵潜水直流离心泵2台，提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口流量，作为控制系统的执行器。1.2上位机软件在以前的版本，液位压力和温度的输出可能是4-20毫安。而流量是2-10V，这样可能导致S7-200的EM235模块无法同时测量，所以本版本之后，所有检测信号被连接成四线制方式的电压型信号2-10V。1.2.1控制器为AS3720的配电图1.2 设备布局图1.3 AS3720信号接线1.2.2控制器为S7-200的配电如果有一个EM231，只连接LT1, LT2，LT3，PT1，而FT1、FT2连接脉冲输入，输出连接P101，P102。
6、图1.4 S7-200信号接线1.3下位机1.3.1涡轮流量计 图1.5 涡轮流量计被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时，叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性的变化，因而在检出线圈两端就感应出频率与流量成正比的电脉冲信号，经放大器放大后远传输出。在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值为仪表系数，用K表示。式中：f流量信号频率（Hz） 一般1600转/升 Q-体积流量（/h或L/h） 或 N脉冲数 V体积总量（或L）（1）基本参数：（2）介质温度：-20-+120C（3）环境温度：-20-+50C（4）供电电源：电压：24V10%,电流：10M
7、a（5）输出经过变送器，为两线制4-20毫安。接线原理同压力变送器。1.3.2微型潜水泵和调速模块图1.6微型潜水泵名称：微型屏蔽式离心泵型号：PX1A/DC24V扬程：5米流量：10L/M额定电流：1A输入信号：0-24VDC尺寸：80*45*50（毫米）特点：采用全塑料外形结构，直流无刷电机驱动，独特的屏蔽套设计，保证了泵的轴端永无渗漏。调速模块采用PWM控制，输入电压0-DC24V。最大电流1A。控制水泵时，调整系统零点和满足，控制电压到3V左右开始出水，9V左右达到最大值。由于制造的差异，可能参数有所不同。在水盖过水泵的情况下，测试过连续运行24小时，温升在容许的范围内。1.3.3带P
8、WM功率驱动的接口板PWM功率驱动模块与以前的PWM_FV模块不同，只能提供PWM功率扩大，不能产生PWM信号。用于S7-200，S7-1200等控制器的输出增强，控制水泵。图1.7 PCB1020 带PWM功率驱动的接口板注意是输出高电平有效，所以水泵的公共端是GND。1.4实验任务与目的1、熟悉本套系统，明确应该如何进行本次实验2、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线3、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其参数。4、熟悉利用MATLAB建立系统数学模型的方法。5、学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。6、熟悉并学会稳定边界法。7、熟悉并学会PI
9、D参数的自整定法。8、较为深刻理解液位PID单回路控制的原理，并掌握PID相关参数的设定方法。9、熟悉流量PID单回路控制的结构和原理，同时熟悉PID参数的设定方法。10、熟悉流量液位串级PID控制的结构和原理，同时熟悉串级控制系统PID参数的整定方法。1.5分组情况组长及组员于莹莹 樊帅 刘建 闫子晨 陈睿2单容水箱建模2.1建模方法概述2.1.1 机理建模 机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入状态关系。水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀开度适当，在不溢出的情
10、况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。图2-1 单容水箱结构图由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。如图2-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有 （2-1）将式（2-1）表示为增量形式 （2-2）式中，、分别为偏离某一平衡状态、的增量； C水箱底面积。在静态时，=；=0；当发生变化时，液位h随之变化，阀处的静压也随之变化，也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为
11、非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为与成正比，而与阀的阻力成反比，即 或 （2-3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（2-3）代入式（2-2）可得 （2-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 2.1.2 实验方法建模实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。令输入流量=，为常量，则输出液位的高度为： （2-6）即 （2-7）当t时， 因而有 （2-8） 当t=T时，则有 （2-9）式（2-7）表
12、示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 图2-2-一阶惯性环节的响应曲线2.1.3 对象模型的影响因素分析读图曲线数据值的不精确；阀门控制精度的误差；电机转速控制和进水阀流量控制的不误差；实际系统中存在很多干扰因素,干扰造成模型准确度降低,模型实用性差；近似化简时导致的不精确性。2.2阶跃响应法建模2.2.1 理论基础经过详细的理论推导可知，单容水箱的动态数学模型是一阶惯性环节加纯延迟的系统
13、，其传递函数为，式中，K为对象放大系数，为对象时间常数，为对象纯滞后。由于纯延迟相对系统时间比较少，可以不考虑纯延迟，从而将其传递函数简化为。为确定本次实验的单容水箱的动态数学模型，就需要确定该模型中的系统时间参数和增益K，这就涉及到过程辨识和参数估计的问题。在由俞金寿、孙自强主编的过程控制系统一书中详细介绍了两种过程辨识与参数估计的方法，即阶跃响应法和脉冲响应法。本实验采用阶跃响应法来确定模型中的相关参数。下面对阶跃响应法进行简单介绍：传递函数求法非常简单，只要有遥控阀和被控变量记录仪表就可以进行。先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10%以内），同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。图2-3- 由阶跃响应曲线确定、和的图解法若对象的传递函数为，则可在响应曲线拐点处做切线，如图2-3，各个参数的求法如下：1、式中：为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值为所给阶跃的大小2、3、2.2.2 实验步骤1、JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。2、将LT101连到AI0输入端，AO0输出端连到U101(手动输出)。3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。4、启动组态软件，设定U101控制20%，等待
